Little Lisp interpreter

출처: https://maryrosecook.com/blog/post/little-lisp-interpreter

Little Lisp 인터프리터는 함수 호출과 람다, let, if, 라이브러리 함수들, 리스트를 지원한다.

자바스크립트 코드 116줄로 구현되어있다.

먼저 Lisp이 뭔지부터 알아본다.

가장 단순한 아톰(Atom)인 숫자:

문자열도 아톰이다:

"a"

빈 리스트:

()

아톰이 들어있는 리스트:

(1)

아톰이 2개 들어있는 리스트:

(1 2)

아톰과 리스트가 들어있는 리스트:

(1 (2))

함수 호출

첫 번째 요소가 함수, 나머지 요소는 인수인 리스트로 구성된다.

first는 인자 (1, 2)를 받아서 첫 번째 요소인 1을 반환한다.

(first (1 2))
  => 1

람다, 함수 정의

인자로 x를 받아서 그대로 반환한다.

(lambda (x)
  x)

람다 호출

첫 번째 요소가 람다, 나머지 요소가 인자인 리스트로 구성된다.

람다가 인자로 "Lisp"을 받아서 그대로 반환한다.

((lambda (x)
   x)
  "Lisp")

  => "Lisp"

Little Lisp 두 부분:

파서
인터프리터

Parser 부분

파싱의 두 단계:

토크나이징
괄호로 묶기

tokenize() 함수는 Lisp 코드를 받아서 모든 괄호 주변에 공백을 넣고 공백을 기준으로 나눈다.

예를 들어,

((lambda (x) x) "Lisp")를 받으면

( ( lambda ( x ) x ) “Lisp” )으로 변환한 뒤 (괄호 주변에 공백 넣기)

['(', '(', 'lambda', '(', 'x', ')', 'x', ')', '"Lisp"', ')']으로 변환한다. (공백 기준으로 나누기)

const tokenize = input =>
  input
    .replace(/\(/g, " ( ")
    .replace(/\)/g, " ) ")
    .trim()
    .split(/\s+/);

parenthesize() 함수는 tokenize()가 생성한 토큰들을 받아서 Lisp 코드의 구조를 따르는 중첩 배열을 생성한다.

예를 들어, ['(', '(', 'lambda', '(', 'x', ')', 'x', ')', '"Lisp"', ')']은

[
  [
    { type: "identifier", value: "lambda" },
    [{ type: "identifier", value: "x" }],
    { type: "identifier", value: "x" }
  ],
  { type: "literal", value: "Lisp" }
];

으로 변환된다.

parenthesize()는 토큰을 하나씩 보면서 현재 토큰이 여는 괄호면 새 배열을 만든다.

현재 토큰이 아톰인 경우 해당 타입으로 이름 붙이고 현재 배열에 추가한다.

현재 토큰이 닫는 괄호면 현재 배열 작성을 중지하고 바깥 배열 작성을 계속한다.

const parenthesize = (input, list) => {
  if (list === undefined) {
    return parenthesize(input, []);
  } else {
    var token = input.shift();
    if (token === undefined) {
      return list.pop();
    } else if (token === "(") {
      list.push(parenthesize(input, []));
      return parenthesize(input, list);
    } else if (token === ")") {
      return list;
    } else {
      return parenthesize(input, list.concat(categorize(token)));
    }
  }
};

parenthesize()가 처음 호출되면 input 매개변수에는 tokenize()가 반환한 토큰 배열이 포함된다.

예를 들어

["(", "(", "lambda", "(", "x", ")", "x", ")", '"Lisp"', ")"];

parenthesize()가 처음 호출되면, list 매개변수는 undefined이다.

3행이 실행되고 parenthesize()는 빈 배열로 설정된 list가 빈 배열로 설정된 상태에서 재귀실행된다.

재귀에서 5행이 실행되어 input에서 첫 번째 여는 괄호를 제거한다.

9행이 새로운 빈 배열로 재귀해서 새로운 빈 배열을 시작한다.

재귀에서 5행이 실행되어 input에서 다른 여는 괄호를 제거한다.

9행은 빈 배열로 재귀해서 새로운 빈 배열을 시작한다.

재귀에서 input은 ['lambda', '(', 'x', ')', 'x', ')', '"Lisp"', ')']이다.

14행은 lambda로 설정된 token과 함께 실행된다.

categorize()에 lambda를 인자로 넣고 호출한다.

categorize()의 7행은 type이 identifier이고 value가 lambda인 객체를 반환한다.

const categorize = input => {
  if (!isNaN(parseFloat(input))) {
    return { type: "literal", value: parseFloat(input) };
  } else if (input[0] === '"' && input.slice(-1) === '"') {
    return { type: "literal", value: input.slice(1, -1) };
  } else {
    return { type: "identifier", value: input };
  }
};

parenthesize()의 14번 줄이 categorize()가 반환한 객체를 list에 추가하고 나머지 input 및 list와 함꼐 재귀한다.

const parenthesize = (input, list) => {
  if (list === undefined) {
    return parenthesize(input, []);
  } else {
    var token = input.shift();
    if (token === undefined) {
      return list.pop();
    } else if (token === "(") {
      list.push(parenthesize(input, []));
      return parenthesize(input, list);
    } else if (token === ")") {
      return list;
    } else {
      return parenthesize(input, list.concat(categorize(token)));
    }
  }
};

제귀 중에, 다음 토큰은 괄호이다.

parenthesize()의 9행은 빈 배열로 재귀해서 새로운 빈 배열을 시작한다.

재귀에서 input 은 ['x', ')', 'x', ')', '"Lisp"', ')']이다.

14행은 x로 설정된 token과 함께 실행된다.

type이 identifier이고 value가 x인 객체를 만들어서 list에 추가하고 재귀한다.

재귀에서 다음 토큰은 닫는 괄호다.

12행이 실행되어 완성된 list를 반환한다: [{ type: 'identifier', value: 'x' }].

parenthesize()는 모든 입력 토큰을 처리할 때까지 계속 재귀하고

마지막엔 타입이 붙여진 아톰들의 중첩된 배열을 반환한다.

parse()는 tokenize()와 parenthesize()를 연속해서 실행한 것이다:

const parse = input => parenthesize(tokenize(input));

((lambda (x) x) "Lisp")을 입력으로 주면 이런 결과가 나온다:

[
  [
    { type: "identifier", value: "lambda" },
    [{ type: "identifier", value: "x" }],
    { type: "identifier", value: "x" }
  ],
  { type: "literal", value: "Lisp" }
];

Interpreter 부분

파싱(구문 분석)이 끝나면 해석이 시작된다.

interpret()은 parse()의 결과를 받아서 실행한다.

위의 파싱 예제에서 나온 결과를 가지고 생각해보면 interpret()은 람다를 생성해서 "Lisp"을 인수로 넣고 호출할 거다.

람다 호출은 프로그램의 최종 결과인 "Lisp"을 반환한다.

interpret()는 실행 입력뿐만 아니라 실행 컨텍스트를 받는다.

실행 컨텍스트는 변수와 값이 저장되는 곳이다.

Lisp 코드가 interpret() 에 의해 실행될 때, 실행 컨텍스트는 해당 코드에 액세스할 수 있는 변수를 가지고 있는다.

이러한 변수는 계층 구조로 저장된다.

현재 범위(스코프)의 변수는 계층의 맨 아래에 있는다.

주변 범위의 변수는 그 위의 수준에 있는다.

주변 범위의 주변 범위에 있는 변수는 그 위의 수준에 있는 셈이다.

예를 들어, 다음에 코드에서:

((lambda (a)
  ((lambda (b)
      (b a))
    "b"))
 "a")

3행에서 실행 컨텍스트는 2개의 활성 범위가 있다.

내부 람다는 현재 범위를 형성하고 바깥 쪽 람다는 주변 범위를 형성한다.

현재 범위는 b 가 "b"로 바인딩되어있다.

주변 범위는 a에 "a"가 바인딩된다.

3행이 실행되면 인터프리터는 컨텍스트에서 b를 찾으려고 시도한다. 현재 범위를 확인하고 b 찾아서 그 값을 반환한다. 여전히 3행에서 인터프리터는 a를 찾는다. 현재 범위를 확인하고 a를 못 찾아서 주변 범위에서 찾기를 시도한다. 거기서 a를 발견하고 그 값을 반환한다.

Little Lisp에서 실행 컨텍스트는 Context 생성자 호출로 만들어진 객체로 모델링된다. 현재 범위의 변수와 해당 값을 포함하는 객체인 scope 인자로 받는다. 그리고 parent를 받아서 parent 가 undefined 경우, 현재 범위는 최상위, 전역 또는 가장 바깥쪽이 된다.

class Context {
  constuctor(scope, parent) {
    this.scope = scope;
    this.parent = parent;
  }

  get(identifier) {
    if (identifier in this.scope) {
      return this.scope[identifier];
    } else if (this.parent !== undefined) {
      return this.parent.get(identifier);
    }
  }
}

((lambda (x) x) "Lisp")가 어떻게 파싱되는지 봤으니 파싱된 코드가 실행되는 방식을 살펴보자.

const interpret = (input, context) => {
  if (context === undefined) {
    return interpret(input, new Context(library));
  } else if (input instanceof Array) {
    return interpretList(input, context);
  } else if (input.type === "identifier") {
    return context.get(input.value);
  } else {
    return input.value;
  }
};

interpret()이 처음 호출될 때 context는 undefined이다.

2-3행은 실행 컨텍스트를 만들기 위해 실행된다.

초기 컨텍스트가 인스턴스화되면 생성자 함수는 library 객체를 사용한다. 여기에는 언어에 내장된 기능이 포함되어있다: first와 rest, print이 해당된다. 이 함수들은 자바스크립트로 작성됐다.

interpret()은 원래의 input과 새 context를 가지고 재귀한다.

input에는 파싱 부분 예제의 결과값이 들어있다:

[
  [
    { type: "identifier", value: "lambda" },
    [{ type: "identifier", value: "x" }],
    { type: "identifier", value: "x" }
  ],
  { type: "literal", value: "Lisp" }
];

input이 배열이고 context가 정의되어 있으므로 4-5행이 실행되고 interpretList() 가 호출된다.

const interpretList = (input, context) => {
  if (input.length > 0 && input[0].value in special) {
    return special[input[0].value](input, context);
  } else {
    const list = input.map(x => interpret(x, context));
    if (list[0] instanceof Function) {
      return list[0].apply(undefined, list.slice(1));
    } else {
      return list;
    }
  }
};

interpretList()에서 5행은 입력 배열의 각 요소에 interpret()을 호출하면서 맵 연산을 한다. 람다 정의에서 interpret()이 호출되면 interpretList()가 다시 호출된다. 이번에 interpretList()에 대한 input 인수는 다음과 같다.

[
  { type: "identifier", value: "lambda" },
  [{ type: "identifier", value: "x" }],
  { type: "identifier", value: "x" }
];

배열의 첫 번째 요소인 lambda가 특수한 타입이기 때문에 interpretList()의 3행이 실행된다. 람다 함수를 만들기 위해 special.lambda()가 호출된다.

const special = {
  lambda(input, context) {
    return function() {
      const lambdaArguments = arguments;
      const lambdaScope = input[1].reduce((acc, x, i) => {
        acc[x.value] = lambdaArguments[i];
        return acc;
      }, {});

      return interpret(input[2], new Context(lambdaScope, context));
    };
  }
};

special.lambda()는 람다를 정의하는 입력의 일부를 사용한다. 호출되면 일부 인수에 대해 람다를 호출하는 함수를 리턴한다.

3행은 람다 호출 함수의 정의를 시작한다. 4행은 람다 호출에 전달된 인수를 저장한다. 5행은 람다의 새로운 호출 범위를 만들기 시작한다. 람다의 매개 변수를 정의하는 입력 부분([{ type: 'identifier', value: 'x' }])에 리듀스를 실행한다. input에 있는 각 람다 매개 변수와 람다에 전달된 인수를 람다 범위에 키/값 쌍으로 추가한다. 10행은 람다 본문에서 interpret()을 호출하여 람다를 호출한다: 첫 번째 인자엔 { type: 'identifier', value: 'x' }가 들어가고 두 번째 인자엔 람다의 범위와 부모 컨텍스트를 포함하는 람다 컨텍스트가 들어간다.

람다는 이제 special.lambda()가 반환한 함수로 나타난다.

interpretList()은 배열의 두 번째 요소인 "Lisp"에 interpret()을 호출하여 input 배열에 대한 맵 연산을 계속한다.

const interpret = (input, context) => {
  if (context === undefined) {
    return interpret(input, new Context(library));
  } else if (input instanceof Array) {
    return interpretList(input, context);
  } else if (input.type === "identifier") {
    return context.get(input.value);
  } else {
    return input.value;
  }
};

이것은 리터럴 객체 'Lisp'의 value 속성을 반환하는 interpret()의 9행을 실행한다. interpretList()의 5행에 있는 맵 연산이 완료되면 list은 다음과 같다:

[
  function(args) {
    /* code to invoke lambda */
  },
  "Lisp"
];

interpretList()의 6 행이 실행되고 list의 첫 번째 요소가 자바스크립트 함수임을 알게된다. 이는 리스트가 호출임을 의미한다. 7행에서 람다를 실행해서 list의 나머지를 인수로 전달한다.

const interpretList = (input, context) => {
  if (input.length > 0 && input[0].value in special) {
    return special[input[0].value](input, context);
  } else {
    const list = input.map(x => interpret(x, context)); // 5행
    if (list[0] instanceof Function) {
      // 6행
      return list[0].apply(undefined, list.slice(1)); // 7행
    } else {
      return list;
    }
  }
};

람다 호출 함수에서 8행은 람다 본문({ type: 'identifier', value: 'x' } { type: 'identifier', value: 'x' } { type: 'identifier', value: 'x' })에 interpret()을 호출한다.

function() {
  const lambdaArguments = arguments
  const lambdaScope = input[1].reduce((acc, x, i) => {
    acc[x.value] = lambdaArguments[i]
    return acc
  }, {})

  return interpret(input[2], new Context(lambdaScope, context)) // 8행
}

interpret()의 6 행에서 input이 식별자 아톰라는 것을 확인한다. 7 행에서 context에서 식별자 x를 찾아 'Lisp'을 리턴한다.

const interpret = (input, context) => {
  if (context === undefined) {
    return interpret(input, new Context(library));
  } else if (input instanceof Array) {
    return interpretList(input, context);
  } else if (input.type === "identifier") {
    // 6행
    return context.get(input.value); // 7행
  } else {
    return input.value;
  }
};

'Lisp'는 람다 호출 함수에 의해 리턴되는데, 람다 호출 함수는 interpretList()에 의해 리턴 되고 이는 interpret() 의해 리턴된다.

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